Una de las herramientas más importantes, y que a su vez es el sello distintivo de la química, es la Tabla Periódica de los Elementos. Ésta clasifica los elementos químicos según el número de protones en el núcleo de sus átomos, propiedad conocida como número atómico. Si bien esto ya se explicó en una entrada anterior, ¿te has preguntado por qué existe esta periodicidad en las propiedades de los elementos químicos? 

Empecemos con un poco de historia. Podría decirse que esta travesía por el mundo químico parte de hace alrededor de 28,000 años atrás, cuando los antiguos humanos usaban carbón para hacer pinturas como las que se encuentran en las cuevas de Gabarnmung, Australia. Desde esa época hasta la creación de la Tabla Periódica, en 1869, se habían descubierto 65 elementos (Figura 1). De allí a la fecha de hoy, es decir, en menos de 200 años se han agregado otros 53 a la lista, ya sean naturales o sintéticos. Sin duda esta es una pequeña muestra de la enorme utilidad e importancia que posee la Tabla Periódica.

Gran parte de este éxito también se debe al desarrollo de la teoría atómica durante el siglo XX, la cual nos ha permitido dilucidar la estructura interna de la materia y separarla en electrones, protones y neutrones. La posición de los elementos en la Tabla Periódica se debe al número de protones que poseen. Por otro lado, el número de electrones juega un papel primordial en cuanto a las propiedades químicas y ópticas de cada elemento lo que, a su vez, está asociado a la periodicidad que se refleja en la Tabla Periódica. Por último, y no menos importante, el número de neutrones está asociado a las propiedades de los núcleos atómicos, determinando si éstos son estables o no.

Ahora que hablamos de partículas subatómicas, la teoría cuántica es absolutamente necesaria para entender por qué existe la Tabla Periódica. Una de las ideas fundamentales de la teoría cuántica es el principio de exclusión de Pauli. Este principio nos dice que dos o más electrones no pueden estar en el mismo estado (Figura 2). ¿Qué significa esto? Los átomos tienen niveles de energía definidos que los electrones pueden ocupar y el principio de exclusión de Pauli impide que todos los electrones vayan al nivel más bajo. Por lo tanto, estos se ordenan de formas específicas, que conocemos como configuraciones electrónicas, que minimizan la energía. A su vez, estos niveles de energía se agrupan en capas electrónicas que se comportan de distinta manera entre sí.

La capa electrónica más externa de los átomos es conocida como capa de valencia y es la que determina sus propiedades químicas. Los elementos que están en una misma columna en la Tabla Periódica poseen una capa de valencia del mismo tipo y con el mismo número de electrones en ella, es por eso que su reactividad química y propiedades ópticas son similares. Como el número de electrones de un átomo estable está muy relacionado al número de protones, entonces la existencia de las capas electrónicas explica la periodicidad en las propiedades de los elementos. Por otra parte, los elementos que están en una misma fila de la Tabla Periódica poseen el mismo número de capas electrónicas y distinto número de electrones y protones, lo que causa la distinta reactividad química entre los elementos de diferentes columnas.

Hasta ahora, la Tabla Periódica posee 7 filas (o periodos) y todos los elementos del séptimo periodo son radiactivos, es decir, no son estables por mucho tiempo y decaen hacia otros elementos más estables. Por ejemplo, la mitad de una muestra de oganesson (elemento 118) se desintegra en menos de 1 milisegundo. Sin embargo, actualmente existe un fuerte debate sobre cuál es el elemento más pesado posible en la Tabla Periódica, esto porque entramos en un terreno muy desafiante para la teoría más fundamental que tenemos sobre los átomos: la electrodinámica cuántica.

Richard Feynman, uno de los padres de la electrodinámica cuántica, sostenía que el elemento más pesado debía ser el 137, pero diversos análisis posteriores y más detallados han indicado que el límite debería estar entre el 168 y el 172 (Figura 3). Desafortunadamente, aún no se ha podido dar una respuesta 100% definida, ya que la física de los elementos superpesados pone muchas interrogantes sobre la correcta interpretación de las ecuaciones fundamentales en este extremo de la Tabla Periódica.

En 1929, Paul Dirac, uno de los fundadores de la mecánica cuántica relativista, sostuvo que “todas las leyes de la física necesarias para la teoría matemática de toda la química son conocidas”. El concepto fundamental detrás de la Tabla Periódica es el principio de exclusión de Pauli, pero cuando hablamos de elementos pesados, es necesario considerar también la relatividad especial de Einstein y aun después de casi 100 años no tenemos claro cómo interpretar correctamente los resultados que nos entrega la teoría cuántica relativista.

Agradecimientos

Agradezco a Francisco López y a La Roñosa por haber revisado el borrador de esta entrada.

¿Quieres saber más?

Larsen, D., et al. (2024), «Physical Chemistry«, LibreTexts, p. 365.

Piela, L. (2013), “Ideas of Quantum Chemistry”, Elsevier.

Reiher, M. & Wolf, A. (2014), “Relativistic Quantum Chemistry”, Wiley.

Smits, O., et al (2023), “Pushing the Limits of the Periodic Table – A Review on Atomic Relativistic Electronic Structure Theory and Calculations for the Superheavy Elements”, Physics Reports, 1035: 1-57.

Dirac, P. (1929), “Quantum mechanics of many-electron systems”, Proc. R. Soc. Lond., 123 (792): 714-733.